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微带贴片天线的分析方法

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74设计与实现

2008年12月（下）责任编辑：林菊 jasmine.lin@126.com 1 引言

微带贴片天线是一种使用贴片作为辐射元的天线，具有

剖面低、体积小、重量轻、易于加工、便于获得圆极化等优

点，并且非常有利于集成，在天线应用中占有非常重要的地

位，目前已在空间电子学、生物电子学和常规天线领域获得

了广泛的应用。

微带贴片天线分析的目的是预测天线的辐射特性及近场

特性，天线分析可以与设计过程相结合，从而更简单高效地

设计出所需天线。天线分析的基本问题是求解天线在周围空

间建立的电磁场，进而得出方向图、增益和输入阻抗等特性

指标。本文首先简要地阐述了微带贴片天线的馈电方式，然

后总结了当前微带贴片天线常用的分析方法，并用基于相关

分析方法的仿真软件对一种平面倒F天线作了仿真。

2 微带贴片天线的馈电方式

微带天线有多种馈电方式，有两种常用的基本方式：微

带线馈电和同轴线馈电。下面主要介绍这两种馈电方式。

2.1 微带线馈电

微带馈电也称为侧面馈电，就是馈电网络与辐射元刻制公茂进 北京电铁通信信号勘测设计院有限公司

【摘 要】文章首先简要介绍了微带贴片天线的馈电方式，然后给出了微带贴片天线的三种常用数值分析方法，并用基于上述分析方法的两种仿真软件对一种倒F天线进行了仿真，从仿真的S11参数和方向图可知，天线具有较好的性能，这两种仿真软件的结果是基本相同的。【关键词】微带贴片天线 馈电方式 天线分析 仿真软件

在同一平面。用微带线馈电时，馈线与微带贴片是共面的，

因而可方便地光刻，制作简便。但这时馈线本身也会引起辐

射，从而干扰天线方向图，降低增益。为此，一般要求微带

线宽度W不能宽，W<

高些或基片厚度h减小，介电常数εr增大。

当处在高频情况时，还需考虑另一个参量即每单位波长

的损耗。宽度为W厚度为h工作频率为f的微带线的特性阻抗

和相位常数可表示为[1]：上式中馈线有效宽度和介质有效介电常数分别为：

2.2 同轴线馈电

同轴线馈电又称为低馈，就是以同轴线的外导体直接与

接地板相接，内导体穿过接地板和介质基片与辐射元相接。

用同轴线馈电的优点是：馈点可选在贴片内任何所需位置，

便于匹配；同轴电缆置于接地板上方，避免了对天线辐射的收稿日期：2008年10月27日微带贴片天线的分析方法752008年12月（下）

责任编辑：林菊 jasmine.lin@126.com 设计与实现

影响。缺点是结构不便于集成，制作麻烦。

这种馈源的理论模型可表示为z向电流圆柱和接地板上

同轴开口处的小磁流环，其简化处理是略去磁流的作用，并

用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一种更严格

的处理，是把接地板上的同轴开口作为传TEM波的激励源，

而把圆柱探针的效应按边界条件来处理[2]。

近年来出现了多种电磁耦合型馈电方式，其结构上的

共同特点是贴近（无接触）馈电，可利用馈线本身，也可通

过一个口径（缝隙）来形成馈线与天线间的电磁耦合，因此

它们也可统称为贴近式馈电。这对于多层阵中的层间连接问

题，是一种有效的解决方法，并且大多能获得宽频带的驻波

比特性。

3 常用微带贴片天线的分析方法

3.1 矩量法

矩量法是目前微带贴片天线分析中应用最广泛的方法。

矩量法所处理的问题可概况为解线性非齐次方程[3,4,5]。Lf＝g （1）

矩量法对式（1）的求解过程如下。在f的定义域内将f

展开为一组线性无关的已知函fn(X)数的组合：

（2）将式（2）代入式（1）得到离散形式的算子方程：

（3）在L的值域内取权函数集合ωm(x)，对适当定义的内积

〈f,g〉，用每一个对ωm(x)和式两边取内积，表示成矩阵形

式如下：

[lmm][an]=[gm] （4）

其中，〈f,g〉解矩阵方

程式（4）可得an，代入式（2）即可得原问题的近似解。解

的精度取决于基函数和权函数的选取及展开式的项数。当ωn(x)=fn(x)时，该方法通常称为Calerkin方法。

在一个特定的问题中，矩量法的关键是基函数和权函数

的选取。基函数和权函数的选取必须是线性无关的，并使其线性组合能得到很好的逼近求解函数。选择基函数时，应尽

量应用有关未知函数的先验知识，使所选择的基函数尽可能

接近未知量的真解，并且满足边界条件，这样方程的收敛较

快，广义阻抗矩阵也易于出现良态情况。

使用矩量法作为内核的商用软件主要有Zeland公司的

IE3D，和安捷伦公司的ADS　Momentum。

图1是一种典型的倒F天线[6]，我们用IE3D软件对它进

行仿真。

图1 典型的倒F天线

天线的尺寸：接地板长L=46mm，宽W=50mm；矩形

贴片l=36mm，w=40mm。短路片位于右边缘距离上边缘

9.5mm，长a=5mm，宽b=6mm；矩形贴片和接地板距离h=6mm；馈点位于右边缘中心处，两贴片之间填充介质，

介质εr＝3.5。图2和图3、图4是用IE3D对其仿真的S11参数

和方向图。

图2　S11参数的仿真结果微带贴片天线的分析方法76设计与实现

2008年12月（下）责任编辑：林菊 jasmine.lin@126.com 此在所建立的矩阵方程中，矩阵元素大多为零，即是稀疏矩

阵。用联系清单稀疏矩阵程序计算该矩阵可以节省90%的计

算机内存；而在用矩量法求解时，矩阵是满秩矩阵。有限元

法最重要的优点是其不受讨论物理模型形状的限制，但是只

能得到纯数字解，这是有限元法的主要不足之处。

使用有限元法作为内核的商用电磁软件主要有ANSOFT

公司的Ensemble、HFSS。

同样，用HFSS对图（a）天线进行仿真，图5和图6、图

7是S11参数和方向图的仿真结果。

图5 S11参数的仿真结果

天线的辐射方向图为：

图6 yoz平面辐射方向图 图3　yoz平面辐射方向图

图4　xoz平面辐射方向图

3.2 有限元法

有限元法[7]是建立在变分法基础上的。它把整个求解区

域划分为若干个单元，在每个单元内规定一个基函数，这些

基函数在各自的单元内解析，在其他区域内为零，这样就

可以用分片解析函数代替全域解析函数。对于二维问题，单

元的划分可以取为三角形、矩形等，但三角形单元适应性最

广；对于三维问题，单元可取作四面体、六面体。每个单元

的形状可视具体问题灵活规定。

通过规定每个单元中合适的基函数，可以在每个顶点得到一个基函数。分片解析函数通过这些单元间的公共顶点连续起来，拼接成一个整体，代替全域解析函数，通过相应的代数等价可化为代数方程求解。

由于基函数的定义域限于本单元，在其余区域为零，因微带贴片天线的分析方法772008年12月（下）

责任编辑：林菊 jasmine.lin@126.com 设计与实现

图7 xoz平面辐射方向图

3.3 时域有限差分法

时域有限差分法[8,9]简称FDTD（Finite-Difference

Time-Domain Method）方法，是由Yee在1966年首先提

出来的[10]。它是一种时域、全波、一体化的分析方法，先

将MAXWELL方程在直角坐标系中展成六个标量场的分量方

程，再将问题空间沿三个轴向分成很多网格单元长度作为空

间变元，就可得出相应的时间变元。用有限差分式表示关

于场分量对时间和空间变量的微分，即可得到FDTD基本方

程，选取合适的场初值和计算空间的边界条件，可以得到包

括时间变量的MAXWELL方程四维数值解，通过傅立叶变换

可得到三维空间的谱域解。

与矩量法相比，时域有限差分法更广泛适用于各种微带

结构，以及分层、不均匀、有耗、色散等媒质的问题。而且

时域有限差分法易于得到计算空间场的暂态分布情况，有助

于深刻理解天线的瞬态辐射特性及其物理过程，利于改进天

线的性能。此外，时域有限差分法选用适当的激励源，通过

一次时域计算便可获得天线的宽频带辐射特性，避免了传统

频域方法繁琐的逐点计算。

使用FDTD作为内核的商用电磁仿真软件主要有Zeland

公司的Fidelity。

4 结束语

本文总结了微带贴片天线的分析方法，分别用基于矩量参考文献

[1]P BHARTIA,K V S RAO,R S TOMAR. Millimeter-Wave Microstrip and Printed Circuit Antennas[M]. 1991.[2]王保志. 微波技术与工程天线[M].北京:人民邮电出版社,1991(8):152-153.[3]杨建军. PBG技术在微波电路中的应用研究[D]. 电子科技大学,2002.[4]清华大学. 微带电路(第一版)[M]. 北京:人民邮电出版社,1976.[5]姜建. 金属导体上细天线的电磁特性研究[D]. 南京航空航天大学,2002.[6]朱晓维,何晓晓,刘进. 用于3G系统移动终端的平面倒F天线[R]. 东南大学毫米波国家重点实验室,2002.[7]刘宝宏. 微带天线的分析和宽频带设计[D]. 南京理工大学,2003.[8]刘元. 通用电磁仿真软件的设计及其在天线系统中的应用[D]. 电子科技大学,2001.[9]周斌. 用时域有限差分法分析柱面缝隙和贴片微带天线[D]. 南京航空航天大学,2002.[10]YEE K S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell,Equations in Isotropic Media[J]. IEEE Trans on Antennas and Propagation,Vol A,1996:14. ★

【作者简介】

公茂进：中国科学院研究生院通信与信息系统专业工学硕士，现任北京电铁通信信号勘测设计院有限公司，工程师，主要研究方向为移动通信、视频通信等。在核心期刊发

表学术论文多篇。法的IE3D和基于有限元法的HFSS对所设计的一种平面倒F天

线进行了仿真。仿真结果表明天线具有较好的性能，用这两

种仿真软件所得的仿真结果基本相同。微带贴片天线的分析方法

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矩形微带贴片天线

矩形微带贴片天线

矩形微带贴片天线

一、 天线结构

接地平面大小2cm×2cm，衬底大小1.6cm×1.2cm×0.08cm，贴片大小1.2cm×0.8cm。接地平面与衬底都采用电导率有限的材料（σ在HFSS软件中已定义），衬底采用εr=2.65的材料。天线正中用半径0.05cm，长度0.08cm的铜线穿过衬底连接贴片和接地平面。在接地平面正中再开一个半径为0.1cm的圆孔作为入射波端口，计算电压的积分线沿绿色轴即x轴方向。如下图所示。

二、 天线远场辐射方向图

天线工作在12GHz频率下。

Φ=0°时的子午面方向图。

Φ=90°时的子午面方向图。

Θ=60°时的水平面方向图。

Θ=90°时的水平方向图。

Θ=120°时的水平方向图。

三、 天线参数

Peak Directivity=4.9624，

Peak Gain=5.6474，

Radiated Power= 2.75368e-007W，

Accepted Power= 2.41965e-007W，

Incident Power=1W，

Radiation Efficiency= 1.138。

四、 问题

计算入射端口的S矩阵参量可得S11=-1，同时由上面的天线参数也可发现只有很少能量进入天线向外辐射，这是什么原因呢？有什么解决的方法吗？

实验七 微带贴片天线的设计与仿真

实验七 微带贴片天线的设计与仿真

实验七 微带贴片天线的设计与仿真

一、实验目的

1.设计一个微带贴片天线

2..查看并分析该微带贴片天线的

二、实验设备

装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台

三、实验原理

传输线模分析法求微带贴片天线的辐射原理如下图所示：

设辐射元的长为L，宽为ω，介质基片的厚度为h。现将辐射元、介质基片和接地板视为一段长为L的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路，根据微带传输线的理论，由于基片厚度h<

在开路两端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同向叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝的电场方向与长边垂直，并沿长边ω均匀分布。缝的宽度△L≈h，长度为ω，两缝间距为L≈λ/2。这就是说，微带天线的辐射可以等效为有两个缝隙所组成的二元阵列。

四、实验内容

利用HFSS软件设计一个右手圆极化天线，此天线通过微带结构实现。中心频率为2.45GHz，选用介质基片R04003，其介电常数为εr=2.38，厚度为h =5mm。最后得到反射系数和三维方向图的仿真结果。

五、实验步骤

1.建立新工程

了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options中讲Duplicate Boundaries with geometry复选框选中。

2.将求解类型设置为激励求解类型：

（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type。 （2）在弹出的Solution Type窗口中

(a)选择Driven Modal。

(b)点击OK按钮。

3.设置模型单位

（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units。

（2）在设置单位窗口中选择：mm。

4.创建微带天线模型

（1）创建Ground Plane。

创建矩形模型，起始点的坐标：X：-45，Y：-45，Z：0.0；长、宽：dX：90，dY：90，dZ：0.0

微带贴片天线表面电流的矩量法分析

微带贴片天线表面电流的矩量法分析

科技论文　

微带贴片天线表面电流的矩量法分析　

周磊石可王建冯正和　

摘要：本文用矩量法（ＭＯＭ）对微带贴片天线的表面电流分布进行了研究。首先用经　典电磁场理论推导出微带贴片的空域并矢格林函数，然后利用该格林函数构造出微　带表面的混合位积分方程，再用矩量法求解该积分方程，最后得到微带贴片天线上　的电流分布。计算结果与目前主流ＥＤＡ软件给出的仿真结果基本一致，说明了该　算法的有效性。　

关键词：微带天线并矢格林函数矩量法电流分布　

ｌ引言　从２Ｏ世纪７Ｏ年代以来，微带天线由于具有体积小、重量轻、易共形、便于加工等特　点，在现代通信系统中得到了广泛的应用。根据结构的不同，微带天线可以分为徼带贴　片天线、微带缝隙天线等，其中微带贴片天线在实际工程（特别是用微带阵元组阵的场　合）中应用更为广泛。为简单起见，如无特别说明，下文一律将微带贴片天线称为微带　天线。微带天线所用的导体贴片一般是规则形状的面积单元，通常用的有矩形和圆形贴　片。本文主要研究了矩形微带天线表面电流分布的矩量法分析，通过使用矩量法求解天　线表面的混合位积分方程来得出微带天线及其馈线上的电流分布，利用电流分布可以方　便地求出天线的输入阻抗等电路特性。　本文分析的微带天线结构和使用的坐标系如图１所示。　蛙缝　０　专ｌ　

一△　图】微带天线结构示意图　２微带天线表面的并矢格林函数　并矢格林函数代表的是一个“点源的场”。设在各向同性的线性媒质空间中坐标为　的地方有一电流元：　（　’）＝　＋　＋　＝　，该电流元在场点Ｆ处产生的电场为：　

２３　维普资讯 电信技术研究　２００６年第６期　云（　’）＝　＋．　＋三　：，则电流元和电场之间的一般关系可以用如下的式子来表示　一　＝　一　（　）＝一　）　。Ｇ（　，　’）・Ｊ（ｆ’）　（２．１）　

其中Ｇ（　，　’）＝　Ｇ　Ｇ　ｘ　Ｇ　Ｇ　Ｇｙｙ　Ｇ　Ｇ　Ｇ　Ｇ　为电流源的电场并矢格林函数，它是一个张量。其中　

宽频带微带贴片天线技术

宽频带微带贴片天线技术

宽频带微带贴片天线技术

摘要:随着现代通信技术和雷达的发展,宽频带微带贴片天线技术的研究已经得到足够重视。本文简要论述影响带宽的因素,并着重介绍几种展开带宽的方法。

关键词:微带天线 宽频带 微波通信

微带天线由于具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形和批量生产等优点,广泛应用于测量和通讯各个领域。但微带天线有其固有缺陷,即其阻抗带宽较窄,典型的频带宽度从百分之零点几到百分之几,所以微带天线的窄频带特性成了限制其应用的主要障碍,因此展宽微带天线的带宽具有十分重要的意义。

1 影响微带天线带宽的因素

微带贴片天线的窄带特性是由其高Q值的谐振本性决定的,也就是储存于天线结构中的能量比辐射和他它耗散能量大得多,这就意味着谐振时实现了阻抗匹配而当频率偏离谐振点时电抗分量急剧变化使之失配。微带天线的带宽(BW)往往以输入端电压驻波比系数(VSWR)的值小于某给定值的频率范围来表示,若给定的VSWR值为S,则VSWR<S的频带宽度BW为:

2 展宽带宽的途径

(1)基本途径:增大基板厚度,降低基板相对介电常数,及增大a/b(矩形)。这三种途径其主要通过降低等效谐振电路的值来展宽频带宽度,较容易实现,但需要根据实际情况合适地选择这些参数。

(2)改变天线的结构来展宽微带天线带宽。这种途径主要有:电磁藕合馈电;附加阻抗匹配网络;加载短路探针;在贴片单元或接地板上“开窗’,采用多层结构,采用E型贴片等。

电磁藕合馈电的方法是设法修改等效谐振电路,把普通单层微带天线的简单RLC等效电路修改为多频点的藕合谐振电路,从而实现了阻抗带宽的展宽。这种展宽天线带宽的方法设计制作起来相对较易实现,但是天线占用空间较大。

附加阻抗匹配网络的方法实际上并不属于微带天线本身的问题,而是馈线的匹配问题。由于线极化微带天线的工作带宽主要受其阻抗带宽的限制,因此采用馈线匹配技术就能使其工作于较宽的频域上。例如采用简单的双枝节匹配技术,可将带宽增大至两倍左右。利用切比雪夫网络来综合宽频带阻抗匹配网络,可将带宽增大到四倍左右。